Вопрос о происхождении массивных экзопланет, которые находятся далеко от своих звезд, долгое время оставался предметом споров. Существовало две основные гипотезы: либо они растут постепенно, начиная с твердого скалистого ядра, которое затем притягивает газ, либо возникают мгновенно из-за гравитационной нестабильности в газопылевом диске, подобно коричневым карликам.
Астрономы выяснили, как возникают газовые гиганты, подобные Юпитеру
Астрономы из Мичиганского университета в составе международной группы использовали телескоп Джеймс Уэбб для изучения системы HR 8799, в которой найдено 4 гигантских планеты. Исследователи проанализировали химический состав атмосфер трех планет-гигантов и доказали, что они сформировались путем аккреции ядра или снизу-вверх: при этом процессе планета растет, как снежный ком, постепенно облепляясь пылью и газом.
Иллюстрация системы HR 8799 с тремя газовыми гигантами, которые, по мнению астрономов, сформировались в результате того же процесса аккреции ядра, что и Юпитер в нашей солнечной системе. Jean‑Baptiste Ruffio (UCSD)
Что такое аккреция ядра или метод снизу-вверх. Этот процесс можно сравнить со сооружением снежной бабы: сначала вы лепите небольшой плотный снежок, а потом катаете его по мокрому снегу: снег прилипает, и снежок постепенно растет. В космосе роль «снежка-затравки» играет твердое ядро из камня и льда. Когда его масса достигает критического значения (примерно 10 масс Земли), его гравитация становится настолько сильной, что оно начинает стремительно захватывать газ из окружающего пространства, превращаясь в газовый гигант. Есть и другая возможность — сверху-вниз. Это — гравитационный коллапс. Этот процесс больше похож на внезапное сгущение тумана в каплю. Новое исследование подтвердило, что даже «сверхтяжеловесы» — планеты с массой в десять Юпитеров — предпочитают первый, более долгий, но более надежный путь развития.
Изучение системы HR 8799, расположенной в 130 световых годах от Земли, позволило поставить точку в этой дискуссии. Анализ спектральных данных показал, что атмосферы этих миров обогащены тяжелыми элементами, такими как углерод и кислород. Это прямое свидетельство процесса снизу-вверх. Этот тип формирования, характерен, например, для планет нашей Солнечной системы, включая Юпитер. Работа опубликована в журнале Nature Astronomy.
Изображение планет HR 8799 b, HR 8799 c и HR 8799 d, полученное телескопом Хейла. Четвертая планета HR 8799 d на снимок не попала. .
Майкл Мейер, профессор астрономии и соавтор работы, подчеркивает значимость открытия: «Эмпирический ответ получен. Эти газовые гиганты образовались путем аккреции ядра».
Использование прибора NIRSpec телескопа Джеймс Уэбб позволило ученым обнаружить молекулы, которые ранее не фиксировались в таких системах. В частности, на планете HR 8799 c был найден сероводород, что стало важным маркером для понимания условий, в которых зарождались эти небесные тела. Хотя исследуемые объекты в пять-десять раз массивнее Юпитера, механизм их появления оказался совершенно аналогичным.
Гле проходит граница между звездой и планетой
Все четыре планеты системы HR 8799.
Несмотря на подтверждение классической модели, новые данные преподнесли сюрприз. Планеты системы HR 8799 находятся далеко от родительской звезды — в 14 и более астрономических единицах. Но концентрация тяжелых элементов в изученных гигантах оказалась настолько высокой, что это поставило ученых в тупик. Согласно текущим представлениям, процесс накопления вещества не должен быть настолько эффективным на таких огромных расстояниях от центральной звезды.
Различия в содержании серы между тремя планетами одной системы также указывают на то, что индивидуальные условия развития могут сильно варьироваться. Теперь астрономам предстоит выяснить, где проходит граница между планетой и коричневым карликом и почему природа создает самые легкие звезды и самые тяжелые планеты настолько по-разному.